Avaliação da influência do declive e variáveis dinâmicas
no consumo de energia e emissões de veículos ligeiros
Tiago Malhão de Oliveira
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientadores: Dra. Patrícia de Carvalho Baptista
Dr. Gonçalo Nuno de Oliveira Duarte
Júri
Presidente: Prof. Edgar Caetano Fernandes
Orientador: Dr. Gonçalo Nuno de Oliveira Duarte
Vogal: Dr. Gonçalo Nuno Antunes Gonçalves
Resumo
O transporte rodoviário é responsável por uma quota considerável das emissões de poluentes, portanto importa estudar a influência do declive da estrada e o efeito de aumentos nas variáveis dinâmicas no consumo de energia e nas emissões de poluentes para os diferentes contextos de condução. Desta forma, foi monitorizado em condições reais de circulação um veículo ligeiro de passageiros movido a gasóleo (EURO 6). Com os dados recolhidos caracterizou-se o veículo, a sua caracterização, bem como a quantificação dos impactos energéticos e ambientais foi feita recorrendo à metodologia VSP. Além disso, utilizando os dados dos ensaios realizados foi desenvolvida e validada uma ferramenta que diferencia os diferentes contextos de condução de um lote de dados. Com esta ferramenta foram desenvolvidas duas metodologias que foram aplicadas aos dados recolhidos na caracterização do veículo e a outros.
Os resultados da análise da influência do declive da estrada demostram que em todos os contextos e modos as variáveis mais sensíveis foram as emissões de NOx, variando de 11.3 a 553%, e o par combustível/CO2,, de 19.9 a 242%. As variáveis mais sensíveis à diminuição dos declives negativos foram o par combustível/CO2, variando de -52.4 a -14.4%. Aumentos nas acelerações médias positivas resultam em aumentos no consumo e nas emissões. Para contexto urbano e extra-urbano aumentos na velocidade média não resultaram em aumentos nas emissões. Em auto-estrada, só nas velocidades mais altas se verificaram aumentos no consumo e nas emissões. As conclusões para o VSP médio positivo foram semelhantes às para a velocidade média.
Palavras-chave: condições reais de condução; EURO 6; consumo de energia; emissão de poluentes; declive da estrada; variáveis dinâmicas.
Abstract
Road transport is responsible for a considerable amount of pollutants emissions, so it is important to study the influence of road grade and the effect of increases in dynamic variables on energy consumption and pollutants emissions for the different driving contexts. In this way, a diesel-powered light duty vehicle (EURO 6) was monitored under real driving conditions. With the data collected the vehicle was characterized, its characterization, as well as the quantification of the energetic and environmental impacts was done using the VSP methodology. In addition, using the data from the experiments, a tool differentiates the different driving contexts of a batch of data was developed and validated. With this tool two methodologies were developed that were applied to the data collected in the characterization of the vehicle and others.
The results of the analysis of the influence of the road grade show that in all contexts and modes the most sensitive variables were the emissions of NOx, ranging from 11.3 to 553%, and the fuel / CO2 pair, from 19.9 to 242%. The most sensitive variables to the decrease of the negative slopes were the fuel / CO2 pair, varying from -52.4 to -14.4%. Increases in mean positive acceleration result in increases in consumption and emissions. For urban and extra-urban context increases in average speed did not result in increases in emissions. On the motorway, only at the highest speeds did emissions increase. The conclusions for the mean positive VSP were like those for the average speed.
Keywords: real conditions; EURO 6; energy consumption; emission of pollutants; road grade; dynamic variables.
Agradecimentos
Aos meus pais, avós e família, não há palavras que possam descrever o que têm feito por mim. Gosto muito de vocês!!
À Mariana pelo apoio incondicional!
Aos meus Amigos, especialmente ao David Abreu, Rui Neto, Miguel Pina, Rui Alexandrino, João Nuno e João Bacalhau.
Aos meus orientadores, Patrícia e Gonçalo, e também ao Roberto, pelas dicas e ajudas.
Beijos e abraços, sejam felizes!
Índice
1. Introdução ... 1
Enquadramento ... 1
História dos ensaios de controlo de emissões em automóveis ... 5
Estado da arte ... 9
Objetivos ... 15
Estrutura da dissertação ... 16
2. Conceitos teóricos ... 17
Funcionamento básico de motores de ignição por compressão ... 17
2.1.1 Formação de poluentes ... 18
2.1.2 Sistemas de tratamento de gases de escape ... 21
3. Metodologia ... 25
Monitorização em estrada de veículos ... 25
3.1.1 Equipamento laboratorial ... 25
3.1.2 Veículo monitorizado ... 28
3.1.3 Percurso... 30
Método de tratamento de dados ... 31
3.2.1 Processamento de dados ... 31
3.2.2 VSP - Vehicle Specific Power ... 33
3.2.3 Ferramenta para determinação do contexto de condução ... 34
3.2.4 Quantificação dos impactes energéticos ... 37
3.2.5 Avaliação do impacte de fatores externos ... 40
4. Resultados e Discussão ... 49
Efeitos da alteração do declive da estrada ... 49
4.1.1 Contexto urbano ... 50
4.1.2 Contexto extra-urbano ... 52
4.1.3 Contexto de auto-estrada ... 54
4.1.4 Comparação de efeitos nos diferentes contextos ... 55
Influência de variáveis dinâmicas no consumo de combustível e nas emissões de poluentes 64 4.2.1 Aceleração média positiva ... 64
4.2.2 Velocidade média ... 67
4.2.3 VSP médio positivo ... 72
4.2.4 Considerações finais para velocidade média e VSP médio positivo ... 78
5. Conclusões e trabalho futuro ... 79
Referências bibliográficas ... 81
Lista de tabelas
Tabela 1 – Condições ambientais para a realização de testes em estrada, RDE. Adaptado de [9]. .... 5
Tabela 2 – Influência dos fatores externos nas emissões de CO2. Fonte [53]. ... 13
Tabela 3 – Características dos ensaios realizados em estrada no âmbito desta dissertação. ... 25
Tabela 4 - Caracteristicas do BMW 325d. Adaptado de [19]. ... 29
Tabela 5 - Dados a utilizar nas futuras análises e as respetivas fontes de recolha. ... 31
Tabela 6 – Modos de VSP. Adaptado de [21]. ... 34
Tabela 7 – Parâmetros utilizados na elaboração da ferramenta para diferenciação de contextos de condução e os seus valores... 36
Tabela 8 - Modos escolhidos para o declive da estrada. ... 41
Tabela 9 – Valores médios, de desvio padrão e valores mínimo e máximo para os limites inferior e superior da velocidade média [km/h]. ... 45
Tabela 10 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para o consumo de combustível em função da velocidade média. ... 46
Tabela 11 – Classificação dos pontos representados na Tabela 10 nos diferentes contextos de condução... 46
Tabela 12 – Resultados obtidos para a variação sofrida pelo consumo devido a incrementos de velocidade média constantes, em contexto urbano. ... 47
Tabela 13 - Valores de referência ou de declive nulo, resultados absolutos e resultados da variação face aos valores de referência por modo de declive, para contexto urbano. ... 50
Tabela 14 – Classificação dos aumentos por modo de declive (positivos), para contexto urbano. .... 51
Tabela 15 – Classificação das variações em reduções por modo de declive (negativos), para contexto urbano. ... 51
Tabela 16 - Valores de referência ou de declive nulo, resultados absolutos e resultados da variação face aos valores de referência por modo de declive, para contexto extra-urbano. ... 52
Tabela 17 – Classificação dos aumentos por modo de declive (positivos) para contexto extra-urbano. ... 53
Tabela 18 – Classificação das variações em reduções por modo de declive (negativos), para contexto extra-urbano. ... 53
Tabela 19 - Valores de referência ou de declive nulo, resultados absolutos e resultados da variação face aos valores de referência por modo de declive, para contexto de auto-estrada. ... 54
Tabela 20 – Classificação dos aumentos por modo de declive (positivos), para contexto de auto-estrada. ... 55
Tabela 21 – Classificação das variações em reduções por modo de declive (negativos), para contexto de auto-estrada. ... 55
Tabela 22 - Comparação das classificações reais dos aumentos por modo de declive (positivos), para diferentes contextos... 59
Tabela 24 - Comparação das classificações reais dos aumentos por modo de declive (negativos), para diferentes contextos. ... 62 Tabela 25 – Valores médios e de desvio padrão do consumo do veículo testado (BMW 325d) para os modos de VSP. ... 86 Tabela 26 - Valores médios e de desvio padrão das emissões de CO2 (g/s), para o veículo testado (BMW 325d) para os modos de VSP. ... 86 Tabela 27 - Valores médios e de desvio padrão das emissões de CO (g/s), para o veículo testado (BMW 325d) para os modos de VSP. ... 86 Tabela 28 - Valores médios e de desvio padrão das emissões de HC (g/s), para o veículo testado (BMW 325d) para os modos de VSP. ... 87 Tabela 29 - Valores médios e de desvio padrão das emissões de NOx (g/s), para o veículo testado (BMW 325d) para os modos de VSP. ... 87 Tabela 30 – Características gerais dos dados dos ensaios provenientes de outras bases de dados e as análises para os quais foram utilizados. ... 88 Tabela 31 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para o consumo de combustível em função do VSP médio positivo. ... 99 Tabela 32 – Classificação dos pontos representados na Tabela 37 nos diferentes contextos de condução... 100 Tabela 33 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para o consumo de combustível em função da aceleração média positiva. ... 100 Tabela 34 – Classificação dos pontos representados na Tabela 39 nos diferentes contextos de condução... 100 Tabela 35 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de CO2 em função do VSP médio positivo. ... 100 Tabela 36 – Classificação dos pontos representados na Tabela 41 nos diferentes contextos de condução... 100 Tabela 37 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de CO2 em função da aceleração média positiva. ... 100 Tabela 38 – Classificação dos pontos representados na Tabela 43 nos diferentes contextos de condução... 101 Tabela 39 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de CO2 em função da velocidade média... 101 Tabela 40 – Classificação dos pontos representados na Tabela 45 nos diferentes contextos de condução... 101 Tabela 41 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de CO em função do VSP médio positivo. ... 101 Tabela 42 – Classificação dos pontos representados na Tabela 47 nos diferentes contextos de condução... 101 Tabela 43 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de CO em função da aceleração média positiva. ... 101
Tabela 44 – Classificação dos pontos representados na Tabela 49 nos diferentes contextos de condução... 102 Tabela 45 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de CO em função da velocidade média... 102 Tabela 46 – Classificação dos pontos representados na Tabela 51 nos diferentes contextos de condução... 102 Tabela 47 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de HC em função do VSP médio positivo. ... 102 Tabela 48 – Classificação dos pontos representados na Tabela 53 nos diferentes contextos de condução... 102 Tabela 49 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de HC em função da aceleração média positiva. ... 102 Tabela 50 – Classificação dos pontos representados na Tabela 55 nos diferentes contextos de condução... 103 Tabela 51 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de HC em função da velocidade média... 103 Tabela 52 – Classificação dos pontos representados na Tabela 57 nos diferentes contextos de condução... 103 Tabela 53 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de NOx em função do VSP médio positivo. ... 103 Tabela 54 – Classificação dos pontos representados na Tabela 59 nos diferentes contextos de condução... 103 Tabela 55 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de NOxem função da aceleração média positiva. ... 103 Tabela 56 – Classificação dos pontos representados na Tabela 61 nos diferentes contextos de condução... 104 Tabela 57 – Valores estimados pelo polinómio interpolador para as emissões de NOxem função da velocidade média... 104 Tabela 58 – Classificação dos pontos representados na Tabela 63 nos diferentes contextos de condução... 104
Lista de figuras
Figura 1 - Poluentes primários do ar atmosférico e as suas fontes. Fonte [3]. ... 1
Figura 2 – Evolução das emissões dos gases de efeitos de estufa por sector, da UE. Fonte [1]. ... 2
Figura 3 - Distribuição das emissões dos principais poluentes atmosféricos no sector dos transportes, na UE. Fonte [4]. ... 2
Figura 4 - A poluição atmosféricas, das fontes aos impactes. Fonte [3]. ... 3
Figura 5 – Esquema exemplificativo de um ensaio em banco de rolos. Fonte [7]. ... 6
Figura 6 – Exemplo do método Remote Sensing. Fonte [46]. ... 7
Figura 7 – Exemplo de PEMS montado num veículo. Fonte [49]. ... 8
Figura 8 – Esquema de um catalisador de redução seletiva [29]. ... 23
Figura 9 – OBDKey. ... 26
Figura 10 – Equipamento GPSMap 76CSx. ... 27
Figura 11 – Analisador de gases Maha MET 6.3 Combi Tester. ... 28
Figura 12 - BMW 325d utilizado nos ensaios. ... 29
Figura 13 - Pormenor do veículo com a sonda no tubo de escape. ... 29
Figura 14 - Pormenor do analisador de gases e do computador portátil. ... 30
Figura 15 – Exemplo ilustrativo do método utilizada para determinação dos atrasos. ... 32
Figura 16 – Curva de consumo para o veículo testado, BMW 325d, em função do modo de VSP. ... 37
Figura 17 - Curva de emissões de CO2 para o veículo testado, BMW 325d, em função do modo de VSP. ... 38
Figura 18 - Curva de emissões de CO para o veículo testado, BMW 325d, em função do modo de VSP. ... 38
Figura 19 - Curva de emissões de HC para o veículo testado, BMW 325d, em função do modo de VSP. ... 38
Figura 20 - Curva de emissões de NOx para o veículo testado, BMW 325d, em função do modo de VSP. ... 39
Figura 21 – Exemplo de distribuição de tempo por modo de VSP. ... 39
Figura 22 – Exemplo do tipo de representação gráfica utilizado na análise. ... 43
Figura 23 - Resultados obtidos para a variação sofrida pelo consumo devido a incrementos de velocidade média constantes, em contexto urbano. ... 47
Figura 24 - Comparação do consumo de combustível para os diferentes contextos de condução. ... 56
Figura 25 - Comparação das emissões de CO2 para os diferentes contextos de condução. ... 57
Figura 26 - Comparação das emissões de CO para os diferentes contextos de condução. ... 57
Figura 27 - Comparação das emissões de HC para os diferentes contextos de condução. ... 57
Figura 28 – Nº de pontos por modo de declive para os diferentes contextos. ... 58
Figura 29 - Comparação das emissões de NOx para os diferentes contextos de condução. ... 59
Figura 30 – Velocidades médias por modo de declive para os diferentes contextos de condução. ... 61
Figura 31 – Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos na aceleração média positiva, em regime urbano. ... 64
Figura 32 - Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos na aceleração média positiva, em regime extra-urbano. ... 65 Figura 33 - Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos na aceleração média positiva, em auto-estrada... 65 Figura 34 - Representação gráfica do consumo de combustível em função da aceleração média positiva, com o polinómio interpolador utilizado. ... 66 Figura 35 - Representação gráfica das emissões de NOx em função da velocidade média com o polinómio interpolador utilizado. ... 68 Figura 36 - Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos na velocidade média, em regime urbano. ... 69 Figura 37 - Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos na velocidade média, em regime extra-urbano. ... 70 Figura 38 - Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos na velocidade média, em auto-estrada. ... 71 Figura 39 - Representação gráfica das emissões de CO2 em função do VSP médio positivo, com o polinómio interpolador utilizado. ... 73 Figura 40 - Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos no VSP médio positivo, em regime urbano. ... 74 Figura 41 - Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos no VSP médio positivo, em regime extra-urbano. ... 76 Figura 42 - Comparação da variação percentual sofrida pelo consumo e emissões de poluentes para incrementos no VSP médio positivo, em auto-estrada... 77 Figura 43 - Representação gráfica da correlação linear do consumo de combustível com os modos de declive positivos, em contexto urbano. ... 89 Figura 44 - Representação gráfica da correlação linear do consumo de combustível com os modos de declive positivos, em contexto extra-urbano. ... 89 Figura 45 - Representação gráfica da correlação linear do consumo de combustível com os modos de declive positivos, em contexto de auto-estrada. ... 89 Figura 46 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de CO2 com os modos de declive positivos, em contexto urbano. ... 90 Figura 47 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de CO2 com os modos de declive positivos, em contexto extra-urbano. ... 90 Figura 48 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de CO2 com os modos de declive positivos, em contexto de auto-estrada. ... 90 Figura 49 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de CO com os modos de declive positivos, em contexto urbano. ... 91 Figura 50 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de CO com os modos de declive positivos, em contexto extra-urbano. ... 91 Figura 51 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de CO com os modos de declive positivos, em contexto de auto-estrada. ... 91
Figura 52 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de HC com os modos de declive positivos, em contexto de urbano. ... 92 Figura 53 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de HC com os modos de declive positivos, em contexto de extra-urbano. ... 92 Figura 54 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de HC com os modos de declive positivos, em contexto de auto-estrada. ... 92 Figura 55 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de NOx com os modos de declive positivos, em contexto urbano. ... 93 Figura 56 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de NOx com os modos de declive positivos, em contexto extra-urbano. ... 93 Figura 57 - Representação gráfica da correlação linear das emissões de NOx com os modos de declive positivos, em contexto de auto-estrada. ... 93 Figura 58 – Representação gráfica do consumo de combustível em função do VSP médio positivo, com o polinómio interpolador utilizado. ... 94 Figura 59 - Representação gráfica do consumo de combustível em função da aceleração média positiva, com o polinómio interpolador utilizado. ... 94 Figura 60 - Representação gráfica do consumo de combustível em função da velocidade média, com o polinómio interpolador utilizado. ... 95 Figura 61 - Representação gráfica das emissões de CO2 em função do VSP médio positivo, com o polinómio interpolador utilizado. ... 95 Figura 62 - Representação gráfica das emissões de CO2 em função da aceleração média positiva, com o polinómio interpolador utilizado. ... 96 Figura 63 - Representação gráfica das emissões de CO2 em função da velocidade média, com o polinómio interpolador utilizado. ... 96 Figura 64 - Representação gráfica das emissões de CO em função do VSP médio positivo, com o polinómio interpolador utilizado. ... 96 Figura 65 - Representação gráfica das emissões de CO em função da aceleração média positiva, com o polinómio interpolador utilizado. ... 97 Figura 66 - Representação gráfica das emissões de CO em função da velocidade média, com o polinómio interpolador utilizado. ... 97 Figura 67 - Representação gráfica das emissões de HC em função do VSP médio positivo, com o polinómio interpolador utilizado. ... 97 Figura 68 - Representação gráfica das emissões de HC em função da aceleração média positiva, com o polinómio interpolador utilizado. ... 98 Figura 69 - Representação gráfica das emissões de HC em função da velocidade média, com o polinómio interpolador utilizado. ... 98 Figura 70 - Representação gráfica das emissões de NOx em função do VSP médio positivo, com o polinómio interpolador utilizado. ... 98 Figura 71 - Representação gráfica das emissões de NOx em função da aceleração média positiva, com o polinómio interpolador utilizado. ... 99
Figura 72 - Representação gráfica das emissões de NOx em função da velocidade média com o polinómio interpolador utilizado. ... 99
Acrónimos
ARTEMIS Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems API Application Program Interface
CH4 Metano
CO Monóxido de Carbono
CO2 Dióxido de Carbono
EEA European Environment Agency
EMEP European Monitoring and Evaluation Programme EGR Exhaust Gas Recirculation
EUA Estados Unidos da América EUDC Extra Urban Driving Cycle FOT Field Operational Tests FTP Federal Test Procedure GPS Global Positioning System
HC Hidrocarbonetos
LOT Light Off Temperature LNT Lean 𝑁𝑂𝑥 Trap
MOVES Multi-scale mOtor Vehicle and equipment Emission Systems MPA Mean Positive Acceleration
NEDC New European Driving Cycle
NH3 Amoníaco
NO Monóxido de Azoto
NO2 Dióxido de Azoto NOx Óxidos de Azoto OBD On Board Diagnostics
PEMS Portable Emission Measurement Systems PM Particulate Matter
RDE Real Driving Emissions test procedure RPA Relative Positive Acceleration
SCR Selective Catalytic Reduction
SFTP Supplemental Federal Test Procedure SO2 Dióxido de Enxofre
tep Tonelada equivalente de petróleo UDC Urban Driving Cycle
UE União Europeia
VOC Volatile Organic Compound VSP Vehicle Specific Power
Nomenclatura
VSP Vehicle Specific Power
v Velocidade instantânea do veículo
a Aceleração do veículo
apos Aceleração positiva do veículo
g Aceleração da gravidade
φ Inclinação da estrada
v̅ Velocidade média do veículo VSP ≥ 0
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ VSP maior ou igual a zero médio freq. paragens Frequência de paragem do veículo
Consumox Consumo do veículo testado conduzido no percurso x v̅ x Velocidade média do veículo no percurso x
CiVSP Consumo do veículo testado no modo VSP i %ti % de tempo despendida no modo VSP i Ey Emissões do poluente y no percurso x
EiVSP Emissões do veículo testado no modo VSP i para o poluente y
var Variável que se está a tratar, por exemplo, declive, velocidade média ou aceleração média positiva, etc
varmodo z
Variável para a qual se quer avaliar o impacte, por exemplo, as emissões de NOx para o modo 6 (z=6) de declive
varref
Valor da variável (var), para o caso de referência, ou seja, um percurso sem declive
c Contexto de condução ao qual se refere a variável que se está a tratar, por exemplo, a aceleração média positiva para contexto urbano
varc
̅̅̅̅̅̅ Valor médio da variável (var) em todos os ciclos considerados para os casos em contexto de condução c
σcvar
Desvio padrão dos elementos da variável (var) em todos os ciclos em contexto de condução c
limite inferiorcvar Limite inferior da variável (var) para o contexto de condução c limite superiorcvar Limite superior da variável (var) para o contexto de condução c
M média
D.P Desvio padrão
1.
Introdução
Enquadramento
O desenvolvimento da Humanidade está fortemente ligado ao desenvolvimento dos meios de transportes. À medida que os meios de transporte se iam desenvolvendo a Humanidade tinha a possibilidade de percorrer maiores distâncias num menor espaço de tempo, possibilitando assim um maior volume de transporte de pessoas, bens e mercadorias. Esta nova possibilidade levou ao crescimento das cidades para a periferia, onde outrora existia espaço rural, ao desenvolvimento da economia e à melhoria da qualidade de vida da nossa espécie [58].
O sector dos transportes alberga meios rodoviários, ferroviários, aéreos, marítimos e outros. A espécie Humana está fortemente dependente deste sector, o que leva a que este sector seja responsável por um grande consumo de energia. Como se pode comprovar pelos dados do Eurostat [1], no ano de 2014, os transportes tiveram um peso de 33.2% no consumo total de energia final dos 28 estados membros da União Europeia (UE). Nestes 33.2% que representam os transportes, 82% dizem respeito aos transportes rodoviários. Dentro do sector dos transportes, os veículos ligeiros são os responsáveis pela maior fatia de consumo energético, com cerca de 0.4 mil biliões de tonelada equivalente de petróleo (tep), 57% do total do sector, segundo a Energy Information Administration [2].
De acordo com um relatório da agência internacional de energia [3], o sector dos transportes tem um importante contributo para a poluição do ar atmosférico, contribuindo com óxidos de azoto (NOx), material particulado (PM), monóxido de carbono (CO) e compostos orgânicos voláteis (VOC) como pode ser observado na Figura 1. Este contributo resulta do grande consumo energético deste sector.
No caso da UE o sector dos transportes foi o único que desde 1990 até 2007 sofreu um aumento das emissões de gases de efeito estufa em 25%. Depois, de 2007 até 2012 decresceu 5%, mantendo-se nos 20%, face a 1990, até 2014 com uma ligeira tendência de subida, conforme apresentado na Figura 2.
Figura 2 – Evolução das emissões dos gases de efeitos de estufa por sector, da UE. Fonte [1].
Através da análise Figura 3 verifica-se que dentro do sector transportes, que o transporte rodoviário é responsável por uma quota considerável das emissões de poluentes atmosféricos, o que demonstra a forte dependência do transporte rodoviário dos combustíveis fósseis.
Figura 3 - Distribuição das emissões dos principais poluentes atmosféricos no sector dos transportes, na UE. Fonte [4].
Segundo um relatório da agência internacional de energia [3], a poluição do ar é o quarto maior fator de risco para a saúde humana, a nível mundial, após a pressão arterial elevada, os riscos alimentares e o tabagismo. As últimas estimativas apontam para 6.5 milhões de mortes prematuras devidas à poluição do ar [3]. Entre os principais poluentes do ar atmosférico, o material particulado é
o mais prejudicial à saúde humana. Os óxidos de enxofre, os óxidos de azoto e o ozono troposférico estão associados a um grande leque de doenças. Além do risco para a saúde humana, a poluição do ar também é um risco para o meio ambiente, para todos os outros seres vivos, para a economia, para os alimentos (incluindo a água) e para a segurança, conforme apresentado na Figura 4.
Figura 4 - A poluição atmosféricas, das fontes aos impactes. Fonte [3].
No caso especifico dos veículos ligeiros, pelas razões enunciadas anteriormente, o controlo das emissões de poluentes e da eficiência energética tem vindo, gradualmente, a ficar mais exigente, através da imposição de metas pela UE para os automóveis ligeiros. Em relação às emissões de dióxido de carbono (CO2), para 2015 a UE tinha como objetivo que os veículos novos registados teriam que cumprir um limite máximo, médio da frota, de 130 g CO2/km, o que corresponde a um consumo médio de combustível de 5.6l/100km, no que respeita a veículos movidos a gasolina, e 4.9l/100km para veículos a gasóleo. Já existem metas para 2021, que ditam um máximo de 95 g CO2/km e um consumo médio de 4.1l/100km para os automóveis a gasolina e 3.6l/100km para o caso dos automóveis movidos a gasóleo [5].
A UE não se limita a controlar as emissões de CO2, além disso as emissões de poluentes, tais como PM, hidrocarbonetos (HC), CO e NOx também são controladas. Este controlo é feito através das designadas normas EURO. Nos dias de hoje a norma que se encontra em vigor é a EURO 6, para veículos de passageiros, cujos limites máximos de emissões de poluentes para veículos ligeiros de passageiros movidos a gasóleo são:
• CO = 0.50 g/km; • 𝑁𝑂𝑥= 0.08 g/km;
• HC + 𝑁𝑂𝑥 = 0.170 g/km; • Partículas = 0.005 g/km; e
• Número de partículas = 6𝑥1011 𝑘𝑚−1 [33].
No entanto se não existirem mecanismos apropriados para a verificação do cumprimento da norma nada garante que esta esteja a ser cumprida, a questão que se levanta é, como se garante o cumprimento da norma pelos novos veículos registados na UE? De maneira a verificar se a norma é cumprida realiza-se um teste em banco de rolos, nos quais são reproduzidos ciclos de condução em que se controla a velocidade ao longo do tempo. O teste tem como função aferir a energia utilizada pelo veículo e as emissões dos poluentes acima referidos [7].
Os moldes atuais em que são realizados os testes para aferir se os veículos cumprem as normas EURO estão a ser alvo de duras críticas, pois não são representativos da realidade em que os mesmos vão operar, assim sendo os valores obtidos em laboratório diferem dos valores obtidos em testes realizados em condições reais de operação [8].
Por forma a colmatar esta discrepância, ou seja, ter um teste que se aproxime mais das condições em que o veículo vai operar a Comissão Europeia vai introduzir o Real Driving Emissions test procedure (RDE) a partir de 1 de setembro de 2017, [6]. O RDE consistirá num teste levado a cabo em condições reais de condução, este teste terá que obedecer a regras de modo a ser considerado como válido. Um dos objetivos destas regras será o de reduzir ao máximo as formas influenciar os resultados, conforme nos regulamentos [9,10].
As condições ambientais em que o RDE pode ser realizado, em termos de altitude e temperatura, variam desde o nível do mar até 1300m e de -7ºC a 35ºC, conforme resumido na Tabela 1. Desta forma, interessa comparar os resultados de testes realizados nos extremos destes intervalos e tirar dai conclusões quanto à qualidade da legislação que entrará em vigor à data de 1 de setembro de 2017, pois as diferenças entre os extremos dos intervalos é considerável. Caso se verifiquem diferenças muito significativas dentro dos intervalos de condições em que se podem realizar os testes, o comportamento esperado das marcas será o de tirar vantagens dessas diferenças por forma a obter um melhor resultado na certificação dos seus veículos. Resultados esses que não irão de encontro à realidade.
Tabela 1 – Condições ambientais para a realização de testes em estrada, RDE. Adaptado de [9].
Altitude
(relativamente ao nível do mar)
Condições moderadas 𝒉 ≤ 𝟕𝟎𝟎𝒎
Condições alargadas 𝟏𝟑𝟎𝟎 ≥ 𝒉 > 𝟕𝟎𝟎𝒎
Temperatura
Condições moderadas 𝟑𝟎 ≥ 𝑻 ≥ 𝟎 ℃
Condições alargadas −𝟕 ≤ 𝑻 < 𝟎 𝒐𝒖 𝟑𝟓 ≥ 𝑻 > 𝟑𝟎 ℃
Apesar do exposto anteriormente e de haver espaço para melhorar, o saldo é positivo, isto é, ao longo dos últimos anos a indústria automóvel tem realizado um esforço para reduzir as emissões de poluentes ao melhorar a eficiência dos veículos e introduzindo novas tecnologias, como por exemplo, tecnologias para controlo de emissões de poluentes, tais como catalisador de redução seletiva, sistema para recirculação de gases de escape, start and stop [11]. A indústria também está a tentar aos poucos abandonar os combustíveis fosseis, isto pode ser concluído pela aposta das marcas em tecnologias hibridas e elétricas. Será uma questão de tempo até termos uma Europa em que a mobilidade será quase 100% elétrica [57].
História dos ensaios de controlo de emissões em automóveis
Com o início das preocupações do Homem com a qualidade do ar surgiu a necessidade de se perceber quais as causas da sua degradação, sendo o sector dos transportes uma das principais fontes [3].
Com a evolução tecnológica surgiram técnicas de quantificação de impactes energéticos e ambientais dos veículos. Existem técnicas quer experimentais, quer numéricas. Uma vez que o âmbito desta tese é experimental, os próximos parágrafos serão dedicados à abordaram de técnicas experimentais.
Em termos de metodologias experimentais existem duas opções, medições em condições controladas e medições em condições reais de circulação.
As medições em condições controladas são realizadas em instalações laboratoriais fixas. O ensaio poderá ser realizado de uma de duas formas, diretamente no motor ou nas rodas do veículo. Para impor as condições de um ciclo de condução ao elemento a ensaiar é utilizado um dinamómetro. Caso se ensaie o motor, o ensaio é realizado num banco de motor, mas caso se opte por ensaiar o veículo completo terá que se recorrer a um banco de rolos, sendo o esquema deste último caso apresentado na Figura 5. Ambas as soluções são formas de ligar o dinamómetro ao elemento a ensaiar. Durante o ensaio são monitorizadas as emissões e armazenadas em sacos para depois a partir de aí analisar consumos e emissões de poluentes.
Figura 5 – Esquema exemplificativo de um ensaio em banco de rolos. Fonte [7].
Nos dias de hoje a certificação dos veículos é realizada em condições controladas, em que o dinamómetro impõe resistência de acordo com o ciclo de condução determinado pelo condutor. Os ciclos de condução que se impõem aos veículos encontram-se padronizados. O ciclo com o qual se afere o cumprimento das normas depende da categoria do veículo e do local do globo para o qual se quer certificar o veículo. Nos Estados Unidos da América (EUA) utilizam-se os ciclos FTP (Federal Test Procedure) e SFTP (Supplemental Federal Test Procedure), enquanto na UE se opta pelo NEDC (New European Driving Cycle) [7]. No entanto, os ciclos de condução têm sido alvo de críticas, pois são pouco representativos da realidade que os automóveis irão enfrentar. Especialmente o NEDC pois impõe cargas reduzidas que são estatisticamente pouco representativas da realidade [7], pelo que se verificam diferenças significativas entre os valores de emissões e consumos obtidos pela certificação e os valores que se obtêm em condições reais de circulação [8][38].
Após terem sido detetadas as discrepâncias entre os valores de certificação em condições controladas e os valores para condições reais foram realizados estudos para quantificar essas diferenças. Conclui-se que os consumos de combustível em condições reais são, em média, superiores entre 10 a 15% para veículos a gasolina e entre 12 a 20% no caso dos veículos a gasóleo [39]. No que diz respeito às emissões de poluentes, obtiveram-se 40% mais emissões, em média, em condições reais de condução. Importa referir as emissões médias de 𝑁𝑂𝑥, para o caso dos veículos a gasóleo verificaram-se ser 7,1 vezes superiores ao valor limite da norma EURO 6 [39]-[45].
Apesar das críticas ao ensaio em banco de rolos, este apresenta a vantagem de ser realizado em condições controladas, o que lhe confere maior especificidade, permitindo uma maior convergência e comparação dos resultados obtidos. O ensaio em condições controladas apresenta limitações quando comparado com um ensaio realizado em condições reais de condução, tais como, a inexistência de inclinação, estar dependente dos ciclos de condução predefinidos e a utilização de dinamómetro para simular condições reais [7][8].
As medições em condições reais de circulação podem ser realizadas de diferentes formas, sendo as mais comuns as seguintes:
• Remote Sensing;
• Recolha de informação através da porta OBD (On Board Diagnostics) e de outros tipos de dispositivos; e
• Através de sistemas portáteis de recolha de dados relativos às emissões, os denominados Portable Emission Measurement Systems (PEMS).
O Remote Sensing é um método de quantificação de emissões de forma remota, ou seja, não necessita de contacto direto com o veículo. A medição de forma remota é conseguida através da colocação de dispositivos na via onde se pretende efetuar as medições, tal como esquematizado na Figura 6. Os dispositivos utilizados são:
• Analisar de gases; • Radar; e
• Câmara de vídeo [46].
Figura 6 – Exemplo do método Remote Sensing. Fonte [46].
O analisador de gases utiliza tecnologia baseada em radiação infravermelha e ultravioleta, recorrendo a um princípio baseado na absorção dos gases emitidos. À passagem de cada veículo são realizadas medições por forma a quantificar os gases de escape emitidos. A concentração de CO, HC e CO2 é proporcional à quantidade de radiação infravermelha absorvida por essas espécies, enquanto que a concentração de NOx é proporcional à quantidade de radiação ultravioleta absorvida pela própria espécie [7][46].
A técnica de Remote Sensing tem algumas vantagens, tais como a capacidade de efetuar um elevado número de medições num curto espaço de tempo, o que facilita a obtenção de uma elevada
amostra. Porém o tamanho da amostra dependerá do local onde as medições se estão a realizar. A tecnologia utilizada por esta técnica permite identificar o veículo ao qual pertencem as emissões. No entanto, por se efetuarem medições num local fixo, não permite recolher dados relativos às emissões de um veículo ao longo do seu percurso, pelo que estas medições estão sempre dependentes do local onde se recolhem.
Uma outra forma de obter dados de veículos em condições reais de circulação é através da porta OBD. A porta OBD permite recolher dados segundo a segundo da velocidade do veículo, consumo de combustível, rotação do motor, carga do motor, temperatura exterior, temperatura do líquido de refrigeração, e outros. A recolha de dados através da porta OBD é muitas vezes acompanhada pela recolha de dados relativos à posição do veículo, isto é coordenadas geográficas, latitude, longitude e altitude. Estes dados são recolhidos através de sistemas de GPS (Global Positioning System). A recolha instantânea da aceleração, com acelerómetro, também pode ser realizada para complementar os dados recolhidos. Este método é uma boa solução para obter informações relativas ao funcionamento do motor e da dinâmica de condução ao longo de uma viagem [17].
Os PEMS são equipamentos que permitem obter informações quanto às emissões de poluentes CO2, CO, HC, PM e NOx, quantificando-as instantaneamente [47]. Regra geral os PEMS permitem também recolher dados da porta OBD do veículo, o que lhes confere a capacidade de obter informações da dinâmica do veículo e informações que caracterizam o funcionamento do motor, entre outros. A monitorização de um veículo com um PEMS necessita de preparação prévia do veículo para receber o dispositivo e posterior montagem. As grandes desvantagens deste equipamento são o seu peso elevado, que pode atingir os 80kg, e o elevado volume que o torna intrusivo e pouco prático, como pode ser visto na Figura 7 [48].
Estado da arte
Na presente secção ir-se-á analisar trabalho relevante, relacionado com o tema da dissertação, dando enfoque a fatores externos à condução, tais como o contexto de condução, a topografia, a temperatura ambiente e também o fator humano (estilo de condução), bem como o seu impacte nas emissões de poluentes e consumo de combustível.
Contexto de condução
Num trabalho realizado por Kwon et al. [50] foram realizadas medições das emissões de NOx de 6 veículos ligeiros de passageiros movidos a gasóleo em condições reais de circulação, com recurso a PEMS. Os percursos foram realizados na área metropolitana de Seoul, Coreia do Sul, incluindo itinerários urbano, extra-urbano e auto-estrada. Os resultados dos testes foram analisados de acordo com o tipo de percursos e outros fatores (condições de condução, métodos para análise de dados e temperatura ambiente). Para as rotas testadas, as emissões médias de NOx dos veículos testados foram 0.508 g/km, 0.428 g/km e 0.291 g/km respetivamente em urbano, extra-urbano e auto-estrada no percurso 1, e 0.531 g/km, 0.412 g/km e 0.199 g/km para o percurso 2 nesses três contextos. O que distingue ambos os percursos é a agressividade da condução, sendo que no percurso 1 a condução foi mais agressiva que no percurso 2, o que se traduziu numa carga maior exigida ao motor.
Os autores O´Driscoll et al.[51] realizaram um estudo em que analisaram as emissões de NOx e NO2 (dióxido de azoto) para uma amostra de 39 veículos ligeiros de passageiros (Euro 6) movidos a gasóleo ao longo de um percurso composto por secções urbanas e de auto-estrada. As medições foram realizadas com recurso a PEMS tendo-se concluído que nos itinerários urbanos as emissões de NOx foram 1.7 vezes superiores às de auto-estrada. Os autores descobriram que esta diferença se deve, em parte, às acelerações mais frequentes que caracterizam os trajetos urbanos. É sugerido pelos autores que as emissões em urbano podem ser reduzidas se se melhorar a eficiência da gestão do tráfego e promovendo uma condução mais ecológica.
André e Rapone [45] tendo como base dados recolhidos no âmbito do projeto europeu ARTEMIS (Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems) construíram um conjunto de ciclos de condução especificamente concebidos para caracterizar a influência das condições a que o veículo está sujeito enquanto está a ser testado. Ou seja, estes ciclos foram construídos de maneira a caracterizar a forma como a dinâmica e o tipo percurso do ciclo influenciam as emissões de poluentes (CO, HC, NOx, CO2).
Para caracterizar as emissões de poluentes foi realizada uma análise de variância e as emissões foram classificadas de forma qualitativa. Os ciclos obtidos foram utilizados para realizar medições em nove veículos ligeiros de passageiros em banco de rolos. No estudo foi concluído que, no caso dos veículos movidos a diesel:
1. Em circuito urbano:
a. As emissões de poluentes aumentaram com o aumento da frequência das paragens (em 20-35% comparativamente às emissões médias) e com a duração das mesmas, que está associado a baixas velocidades (em 35-70%, com 40% para o CO2). b. As emissões de todos os poluentes diminuíram com o aumento da velocidade (-25 a
-30%), exceto no caso do CO que é muito sensível à ocorrência de velocidades altas (cerca de 60-100Km/h);
c. As emissões de NOx e CO2 aumentaram em 22% e 27% com o aumento da frequência das acelerações e em 40% e 34% com ocorrência de acelerações extremas;
2. Em auto-estrada:
a. As emissões de NOxe CO2 demonstraram sensibilidade a velocidades altas (40% e 12%) e a variações de velocidade, e diminuíram a velocidades intermédias (60-100Km/h);
b. No entanto as emissões de CO aumentaram com a ocorrência de velocidades intermédias, também com a ocorrência de acelerações (75%), e diminuem a velocidades altas (cerca de 120-140Km/h, -27%);
3. Em circuito extra-urbano:
a. As emissões de todos os poluentes aumentaram (em 20-40%, e duplicaram para o CO) com o aumento da frequência das paragens e duração (associado a baixas velocidades, cerca de 20-40Km/h ou menos). As emissões diminuíram quando a velocidade aumentou (-20 a -40%), e aumentaram em 20 a 50% com o aumento das acelerações (média positiva das acelerações, desvio padrão, frequências das acelerações). As emissões de CO aparentam ser sensíveis a fortes acelerações/desacelerações ( com um fator de 2-3).
Declive da estrada
Gallus et al. [52] mediram as emissões de dois veículos ligeiros de passageiros movidos a gasóleo (Euro 5 e Euro 6) com recurso a PEMS em percursos que cumprem os requisitos RDE. Os testes foram realizados com três condutores diferentes. Os dados obtidos foram analisados de maneira a perceber qual o impacte das características do percurso de teste e de diferentes estilos de condução nas emissões dos veículos. As características do percurso de teste foram analisadas aplicando o parâmetro ganho de altitude acumulado, usando a ferramenta Google Elevation data. Os parâmetros utilizados para analisar diferentes estilos de condução foram a RPA (Relative Positive Acceleration), a MPA (Mean Positive Acceleration) e o 95º percentil de v ∗ apos. Uma das influências analisadas foi
a da topografia do percurso, concluindo-se que existe uma correlação linear do declive do percurso com as emissões de CO2 e NOx para todos os segmentos (urbano, extra-urbano e auto-estrada). O aumento das emissões devido ao aumento do declive de 0 para 5% originou um aumento nas emissões de CO2 de 65-81% e de NOx de 85-115%, depenendo do segmento. Esta tendência de emissões mais elevadas para declives superiores é devida à necessidade de ter cargas mais elevadas no motor, com maior frequência.
Frey et al. [59] realizaram um estudo onde monitorizaram veículos ligeiro de passageiros em condições reais de condução recorrendo a PEMS, neste estudo foram verificadas reduções nas emissões de poluentes em percursos com declives negativos.
Estilo de condução
Ainda no mesmo estudo, Gallus et al. [52] recorreram a dados de referência provenientes de testes realizados com o Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycles (WLTC) e vindos de Field Operational Tests (FOT), estes dados foram utilizados para definir um estilo de condução dito normal. Tendo estes dados como base de comparação podem caracterizar-se os diferentes estilos de condução aos quais os veículos foram sujeitos. Os estilos de condução caracterizaram-se como agressivo e normal. Valores de RPA, MPA e 95º percentil de v ∗ apos de condução normal são aqueles que se assemelham aos valores provenientes de testes realizados com WLTC e FOT, enquanto que uma condução severa é caracterizada por valores mais altos de RPA, MPA e 95º percentil de v ∗ apos.
As emissões de CO2 e NOx medidas com recurso ao PEMS nos ensaios obtiveram uma correlação forte com os parâmetros utilizados para caracterizar os diferentes estilos de condução. Conclui-se que:
• Condução agressiva resultou em maiores valores para RPA, MPA e 95º percentil de v ∗ apos o que resultou em emissões de CO2 e NOx elevadas, quando comparadas com viagens realizadas com condução normal, as emissões de CO2 sofreram um aumento de 20-40%, enquanto as de NOx aumentaram 50-255%;
• No entanto, olhando para as emissões de CO e HC não foi possível diferenciar ambos os estilos de condução.
No estudo realizado por Kwon et al. [50], que já foi referido anteriormente, também foi analisada a influência do tipo de condução nas emissões de NOx. No percurso 1 a condução foi realizada com maior agressividade do que no percurso 2. Esta diferença de agressividade na condução resultou em emissões de NOx mais elevadas 4-60%. Este aumento nas emissões de NOx, para uma condução mais agressiva, deveu-se ao aumento das cargas exigidas ao motor que resultaram do aumento da injeção de combustível.
Fatores diversos
Fontaras, Zacharof e Ciuffo [53] realizaram um trabalho motivado pelas evidências oficiais que o consumo de combustível e as emissões de CO2 da frota europeia de veículos de passageiros diferem em 30-40% entre o valor oficial anunciado e valores medidos em condições reais de circulação. Os autores analisaram fatores que afetam o consumo de combustível e as emissões de CO2, quer em condições reais de circulação, quer em laboratório. Os fatores externos analisados que podem influenciar o consumo e as emissões acima referidas, em condições reais de circulação, foram:
• Chuva e neve; • Temperatura ambiente; • Cold-start; • Condições do vento; • Altitude; • Declive da estrada; e • Piso da estrada.
Foram também identificados fatores associados ao tipo de condução: • Agressividade da condução;
• Modo de condução; • Eco-driving; e
• Tração às quatro rodas.
Este estudo também refere que fatores como o nível de ocupação de veículo e a presença de janelas abertas também influenciam o consumo de combustível e as emissões de CO2.
Na Tabela 2 encontra-se a influência potencial dos diferentes fatores, acima enunciados, nas emissões de CO2. A Tabela 2 compara os valores em condições reais de circulação com os valores oficiais de teste.
Tabela 2 – Influência dos fatores externos nas emissões de CO2. Fonte [53].
Fatores externos
Média Desvio padrãoTemperatura ambiente (comparado a 20ºC) -7ºC 16% 6% 0ºC 11% 5% 10ºC 5% 3% 30ºC -2% 2% Altitude Até 1000m 4% 1% Estrada Subidas até ~1.5% 9% 4% Superfície 3% 2%
Condutor e fatores relacionados com o uso
Condução agressiva 23% 19%
Condução eco -6% 3%
Janelas abertas a 100km/h 4% 3%
Temperatura ambiente e cold start
Num estudo anteriormente referido, realizado por Kwon et al. [50], foi também analisada a influência da temperatura ambiente nas emissões de NOx. Conclui-se que as emissões de NOx a mais baixas temperaturas (0 - 5ºC) são superiores às emissões a temperaturas mais altas (15 - 20ºC), em 82 – 192%. Com base neste resultado os autores concluíram que o sistema de recirculação de gases de escape e os sistemas de pós tratamento de NOx necessitam de melhorias no desempenho a temperaturas ambiente mais baixas.
Ko et al. [54] elaboraram um artigo focado nas emissões de NOx, em que seis veículos ligeiros de passageiros movidos a gasóleo (Euro 6) foram testados em banco de rolos. As medições das emissões de NOx foram realizadas por sensores de NOx existentes antes e após o Lean 𝑁𝑂𝑥 Trap (LNT). Os ciclos de teste foram o NEDC e o WLTC. Estes ciclos realizaram-se a diferentes temperaturas ambiente (23, 14 e -5ºC). O estudo realizado por Ko et al resultou nas seguintes conclusões:
• As emissões de HC e CO foram sempre inferiores aos limites estipulados pela norma Euro 6, no entanto a temperaturas mais baixas as emissões destes poluentes demonstraram uma tendência de subida. Esta tendência deveu-se à combustão incompleta e ao longo período necessário até se atingir a Light Off Temperature (LOT);
• As emissões de NOx em todas as condições de ensaio, exceto para o NEDC a 23ºC excederam os limites impostos pela norma Euro 6;
• Para o NEDC as emissões de NOx a -5ºC foram 11 vezes superiores às a 23ºC, e as emissões de NOx a 14ºC foram 2.8 vezes superiores às a 23ºC; e
• A mesma tendência foi observada para o WLTC, as emissões de NOx a -5ºC foram 7 vezes superiores às a 23ºC, e as emissões a 14ºC foram 2.5 vezes superiores às a 23ºC.
Os autores sublinham o facto de a alteração para a temperatura abaixo de zero ter um grande impacte nas emissões de NOx. Durante o período de cold start, devido ao LNT não ter atingido a LOT, este não tratava o NOx. No período de aquecimento, com temperatura negativa, a recirculação de gases de escape diminuiu e a quantidade de combustível injectada aumentou.
Dardiotis et al. [55] investigaram a influência de baixas temperaturas de cold start nas emissões de veículos ligeiros de passageiros. A amostra continha 5 veículos movidos a gasóleo (Euro 4-6). Os ensaios foram realizados em banco de rolos utilizando o NEDC. As temperaturas ambiente a que os veículos foram sujeitos foram 22ºC e -7ºC.
Os resultados, para veículos a gasóleo, demonstraram que:
• Foi durante Urban Driving Cycle (UDC) que se verificou a parte dominante das emissões de CO e HC, para ambas as temperaturas testadas, o Extra Urban Driving Cycle (EUDC) contribuiu significativamente para emissões de NOx, no entanto, em alguns casos, as emissões durante o UDC foram equiparáveis às durante o EUDC;
• As emissões de NOx são extremamente sensíveis à temperatura de teste, aumentando muito para -7ºC, a baixa recirculação de gases de escape a baixas temperaturas é a principal razão para este aumento das emissões de NOx;
• Quando testados a -7ºC as emissões de NOx, durante o UDC e EUDC aumentaram face ao verificado a 22ºC.
Resumo dos resultados
No que toca ao contexto de condução para os estudos [45][50][51] os resultados e conclusões obtidas foram consistentes. Em todos as emissões de NOx foram maiores em circuito urbano, menores em auto-estrada e intermédias em extra-urbano. As maiores emissões foram observadas em circuito urbano, pois existem acelerações mais frequentes. Numa condução onde existam variações de velocidade é de esperar aumentos nas emissões de NOx e CO2, face a uma condução em que a velocidade seja mais constante. Velocidades altas em auto-estrada originam elevadas emissões de CO2.
Nos estudos [52][53][59] confirmou-se a influência da topografia da estrada nos consumos e emissões de poluentes. Inclusivamente Fontaras, Zacharof e Ciuffo [53] reviram a influência de outros fatores externos nos consumos e nas emissões, fatores tais como a temperatura ambiente, o cold start, agressividade da condução, etc.
Nos estudos [50][52][53] foi comprovada a influência da condução agressiva no aumento das emissões de CO2 e NOx. Gallus et al. [52] conclui que a partir de dados das emissões de CO e HC não é possível distinguir um tipo de condução normal de um tipo agressivo.
Nos estudos [50][54] foi feita uma análise da influência da temperatura nos consumos e nas emissões de poluentes nas quais os resultados foram consistentes e levaram a concluir que as emissões de NOx aumentam muito a temperaturas perto de 0ºC e abaixo de zero, comparando com temperaturas perto dos 20ºC. Isto devem-se à baixa eficiência dos sistemas de pós-tratamento de NOx a baixas temperaturas e à diminuição da recirculação de gases de escape a baixas temperaturas.
Os estudos analisados revelam existir lacunas na literatura. Existem poucos estudos que analisem os efeitos de declives da estrada superiores a 5% no consumo e nas emissões de poluentes, bem como estudos que classifiquem os efeitos do aumento e diminuição do declive da estrada no consumo e emissão de poluentes em termos qualitativos, isto é, classificando o grau de afetação que o aumento do declive da estrada tem nas variáveis que quantificam os impactos ambientais e energéticos. Por outro lado, também existem poucos estudos que permitam perceber o efeito que aumentos em variáveis dinâmicas com que o condutor mais facilmente se identifique na sua condução diária, principalmente recorrendo a dados reais de condução.
Objetivos
Com base nas lacunas identificadas na literatura os objetivos desta dissertação são:
• Avaliar a influência do declive da estrada no consumo de energia e nas emissões de poluentes (CO2, CO, HC e NOx) com especial ênfase na influência de diferentes contextos de condução; e
• Inferir o efeito de aumentos em variáveis dinâmicas, com as quais o condutor mais facilmente se identifica na sua condução diária, e perceber qual o seu efeito no consumo e nas emissões de poluentes para os diferentes contextos de condução.
De maneira a cumprir estes objetivos foi necessário analisar diferentes perfis reais de condução, bem como caracterizar um veículo através da sua monitorização em estrada de forma a obter perfis reais de condução e respetivos padrões de consumo e emissões, assim como desenvolver e validar uma ferramenta que permitisse determinar os diferentes contextos de condução dentro dos lotes de dados recolhidos para posteriormente se quantificarem e avaliarem os seus impactes energéticos.
Estrutura da dissertação
Esta dissertação é composta por cinco capítulos que irão ser descritos brevemente nos próximos parágrafos.
O primeiro capítulo foi dedicado à introdução da temática do trabalho. Começando-se por enquadrar o problema, referindo a importância dos meios de transporte no desenvolvimento da Humanidade, é referido também o impacte que este sector tem tido na poluição do ar atmosférico e na sua forte dependência energética, dando especial importância aos veículos ligeiros de passageiros. Nomeadamente no impacte que estes têm na degradação ambiental, referindo os seus atuais desafios e concluindo com um olhar sobre o futuro. Segue-se a apresentação de uma breve história dos ensaios de controlo de emissões em automóveis, dos objetivos deste trabalho e do estado da arte, em que se faz uma revisão da literatura existente sobre a temática.
O segundo capítulo dedicou-se aos conceitos teóricos indispensáveis à compreensão da temática, tais como, funcionamento básico dos motores de ignição por compressão, formação de poluentes nestes motores e sistemas utilizados no tratamento dos poluentes formados.
No terceiro capítulo é exposta a metodologia, onde se explicam todos os detalhes sobre a monitorização em estrada do veículo, o equipamento laboratorial, as características do veículo monitorizado e o percurso onde se realizaram os ensaios. Depois abordam-se os métodos utilizados para tratar os dados recolhidos, a forma como estes foram processados, bem como a metodologia, a ferramenta para determinação do contexto de condução, a quantificação dos impactes energéticos e como foram avaliados os impactes dos fatores estudados.
O quarto capítulo é onde se apresentam e discutem os resultados das duas análises presentes no trabalho:
• Efeitos da alteração do declive da estrada; e
• Comparação dos impactes de aumentos nas variáveis dinâmicas (escolhidas) no consumo de combustível e nas emissões de poluentes para os diferentes contextos de condução. Os resultados destas análises são avaliados ao nível do consumo e emissões de poluentes para os diferentes contextos de condução. Neste capítulo também foram comparados os resultados obtidos com os expostos no estado da arte.
O quinto capítulo reservou-se às conclusões e trabalho futuro, onde se apresentam as principais conclusões desta dissertação, bem como se reflete sobre os resultados e foram feitas sugestões para trabalhos futuros.
2.
Conceitos teóricos
Este capítulo é dedicado a uma revisão dos conceitos essenciais à contextualização desta dissertação, tais como o funcionamento dos motores de ignição por compressão, a forma como se formam os poluentes nestes motores e as tecnologias para tratamento dos poluentes formados.
Funcionamento básico de motores de ignição por compressão
O ciclo de operação de um motor baseia-se no movimento vertical de um êmbolo no interior de um cilindro. O êmbolo está ligado à biela que está ligada à árvore de manivelas. Através destas ligações mecânicas o movimento vertical do êmbolo é transformado num movimento rotacional de um veio. A maioria dos motores a gasóleo opera segundo um ciclo a quatro tempos. No início do ciclo a válvula de admissão encontra-se aberta e o êmbolo no ponto morto superior. Com a descida do êmbolo ar é aspirado para o interior do cilindro.
Com a chegada do êmbolo ao ponto morto inferior a válvula de admissão fecha-se e o êmbolo volta a inverter o sentido do movimento iniciando a subida e como consequência o ar que se encontra dentro do cilindro é comprimido. Com a subida do êmbolo o volume do cilindro diminui o que origina um aumento da pressão e temperatura do ar que foi admitido.
Um pouco antes do êmbolo voltar a atingir o ponto morto superior o combustível começa a ser injetado. Após serem atingidas as condições ideais (pressão e temperatura) a combustão inicia-se. O início da expansão dá-se depois do êmbolo atingir, novamente, o ponto morto superior até à chegada do êmbolo ao ponto morto inferior.
Após o final da expansão restam no cilindro os produtos desta reação, que terão que ser expelidos. A esta fase em que o êmbolo retorna ao ponto morto superior, com a válvula de escape aberta, dá-se o nome de fase de escape. Depois do escape ter terminado outro ciclo poderá ser iniciado.
O controlo de carga num motor de compressão é feito pela quantidade de combustível injetada em cada ciclo. A quantidade de ar admitida por um motor a trabalhar a uma determinada velocidade é essencialmente constante. Quando a trabalhar em condições de carga máxima a massa de combustível injetada é cerca de 5% da massa de ar que se encontra no cilindro. Os motores a gasóleo trabalham com misturas pobres, grande parte do ruído gerado por estes motores deve-se à auto-ignição do combustível [25].
Os motores a gasóleo têm uma vasta gama de aplicações: • Automóveis;
• Locomotivas; • Navios;
• Geradores de energia; e • Entre outras.
Os motores podem ser naturalmente aspirados ou alimentados por turbocompressor, nestes últimos o ar antes de ser admitido no motor passa por um compressor onde se aumenta a sua massa volúmica e assim é possível admitir mais ar no mesmo volume de motor, ou seja, é possível injetar mais combustível (para a mesma razão ar/combustível). Quando comparando com um motor naturalmente aspirado é possível obter mais potência, para o mesmo tamanho de motor.
O tamanho do motor depende da sua aplicação, sendo que os maiores motores podem ser encontrados em navios e os mais pequenos em aplicações automóveis. Os motores mais pequenos operam a velocidades superiores. Pelo que o tempo disponível para a combustão é menor em motores mais pequenos, como tal o sistema de injeção e o sistema de combustão devem ser capazes de alcançar mais rápidas taxas de mistura. O que pode ser alcançado através de sistemas de injeção direta e promovendo o aumento da taxa de mistura, alterando a forma do topo do êmbolo de maneira a criar um movimento tipo swirl. O swirl é um movimento de rotação organizado do gás com o eixo de rotação paralelo ao eixo do cilindro. Este movimento organizado do gás permite alimentar a zona em combustão com oxigénio, removendo dai os produtos da combustão [25].
2.1.1 Formação de poluentes
Em condições ideais a queima de combustíveis compostos por carbono e hidrogénio produz, exclusivamente, água, CO2 e azoto. No entanto, devido à natureza das reações químicas e de outros processos envolvidos, outros compostos químicos serão inevitavelmente produzidos. Estes compostos podem ser originados devido a diversas causas, tais como:
• Por reação com elementos presentes no ar atmosférico, normalmente inertes, devido às altas temperaturas envolvidas, dando origem a 𝑁𝑂𝑥;
• Combustão incompleta originada em misturas ricas ou congelamento da reação, originando HC não queimados; e
• Combustão em zonas ricas da mistura, originando CO e PM [25].
2.1.1.1 Monóxido de azoto – NO
O mecanismo responsável pela formação de monóxido de azoto (NO), na sua grande maioria, nos motores de combustão interna é o mecanismo de Zeldovich, que é representado pelas equações (1), (2) e (3).
𝑁2+ 𝑂 ↔ 𝑁𝑂 + 𝑁 (1) 𝑂2+ 𝑁 ↔ 𝑁𝑂 + 𝑂
(2)
𝑂𝐻 + 𝑁 ↔ 𝑁𝑂 + 𝐻 (3)
As reações (1), (2) e (3) são altamente dependentes da temperatura e do tempo a que estão expostas a essa temperatura. Isto é, a quantidade de NO que se forma nas reações (1), (2) e (3) dependerá de dois fatores, da temperatura a que a reação ocorre e da duração da mesma. A reação (3) também contribui para a formação de NO, mas em condições particulares, nomeadamente perto da estequiometria e também no caso de as misturas serem ricas em combustível [17].
No caso dos motores de explosão existem alguns aspetos de projeto que favorecem a formação de 𝑁𝑂𝑥, como por exemplo, a razão de compressão e o tempo de ignição.
Estes aspetos estão relacionados com o aumento da temperatura à qual a combustão ocorre [17]. Para os motores de ignição por compressão, alguns desses aspetos são:
• Razão de compressão; • Bocal do injetor; • Swirl; e
• Rácio ar/combustível [17].
2.1.1.2 Hidrocarbonetos – HC
A formação de HC deve-se a combustível não queimado, ou seja, são originados por combustão incompleta. A combustão incompleta poderá ter várias causas:
• Misturas ricas, em que não existe oxigénio suficiente para queimar todo o combustível; e • Congelamento da reação, no caso dos motores de ignição por compressão uma das causas
é a atomização deficiente do combustível [25].
Os HC podem ainda ser originados pela presença de óleo nas paredes do cilindro que irá posteriormente absorver moléculas de combustível que não serão queimadas, isto acontece devido a ineficiências dos anéis de retenção em remover o óleo das paredes do cilindro.
Operando os motores de explosão perto da estequiometria este poluente é mais relevante nestes motores do que nos motores de ignição por compressão em que as misturas são pobres [25].
